目錄 譯者序 作者簡介 前言 導語——從計算機集成制造(CIM)到工業4.0 第1篇 智 能 工 廠 第1章商業模式的創新2 1.1從產品供應商到解決方案提供商的轉型2 1.2數字孿生作為預測分析的基礎6 1.3通過新的創新流程引入新的商業模式和 客戶導向的創新類型8 1.4網絡式增值系統11 1.5協作平臺13 1.6轉型為工業4.0企業15 參考文獻17 第2章生產計劃與控制的變化21 2.1PPS概述21 2.2通過提供數據提高透明度和PPS的 效果22 2.3PPS任務的數字化潛力23 2.3.1生產計劃23 2.3.2訂單管理和訂單發送24 2.3.3二級需求規劃25 2.3.4外部采購粗略計劃和外部采購規劃25 2.3.5生產需求規劃27 2.3.6自產計劃27 2.3.7自產控制27 2.3.8庫存管理28 2.3.9生產控制29 2.4關于PPS 4.0的幾種說法30 參考文獻33 第3章未來生產中人的工作35 3.1工業4.0對員工的意義35 3.2基礎概念和模型37 3.2.1人-技術-組織(MTO)的概念37 3.2.2負荷-要求模型38 3.2.3輔助系統設計39 3.2.4系統人體工程學分析40 3.3工業4.0中生產員工的技能培訓41 3.3.1由工業4.0帶來的生產工作的發展 趨勢41 3.3.2未來生產員工的特征42 3.3.3未來生產員工的培訓需求44 3.4個性化的動態員工信息系統45 3.4.1員工信息系統概況46 3.4.2個性化的員工信息49 3.4.3動態的員工信息52 3.5人-機器人交互53 3.6人力資源管理54 3.6.1更強大的網絡化和數字化帶來的 影響55 3.6.2人口變化和價值觀變化帶來的影響56 3.6.3生產技術環境的影響57 3.6.4示例：為管理人員減輕認知負擔58 參考文獻59 第4章工業4.0的數據、信息和 知識62 4.1云端的機器控制——自動化作為一種 服務62 4.1.1云平臺和云服務的導入62 4.1.2生產云的潛力63 4.1.3實現基于云的自動化途徑64 4.2大數據68 4.2.1定義68 4.2.2工具69 4.2.3應用程序70 4.2.4可能的應用70 4.3通信72 4.3.1生產通信技術：為工業4.0做 準備72 4.3.2現場層面的通信73 4.3.3工廠中的無線通信74 4.3.4中間設備和標準：工廠間相互 聯網74 4.3.5觸覺互聯網的潛力75 參考文獻75 第5章工業4.0的網絡安全78 5.1動機78 5.2安全威脅和挑戰79 5.2.1工業4.0的特征79 5.2.2威脅80 5.2.3對網絡安全的要求81 5.3網絡安全：解決方案84 5.3.1安全指南84 5.3.2產品和專有技術保護85 5.3.3應用程序的安全性88 5.3.4數據主權：工業數據空間90 5.4總結93 參考文獻94 第6章用于規劃和生產的組織、質量及 IT系統96 6.1業務流程系統96 6.1.1用于業務流程規劃和生產的系統96 6.1.2規劃與排程的趨勢98 6.2組織和IT102 6.2.1規劃和運營組織102 6.2.2支持規劃和運營的信息物理系統102 6.3質量和信息技術(IT)107 6.3.1計算機化的質量108 6.3.2工業4.0背景下的趨勢110 6.3.3結論114 參考文獻114 第7章工業4.0工廠規劃方面118 7.1數字工廠的現狀與未來的發展118 7.1.1數字工廠的定義118 7.1.2數字工廠的方法和工具120 7.1.3數字工廠的優勢122 7.2數字工廠對工業4.0工廠規劃的貢獻123 7.2.1運營分析124 7.2.2粗略規劃125 7.2.3精細規劃127 7.2.4執行129 7.2.5運營、調整和適應129 7.3總結與展望130 參考文獻131 第8章工業4.0的法律問題：框架 條件、挑戰和解決方案133 8.1采取行動的必要性133 8.2數據主權133 8.2.1概念上的保護方向133 8.2.2直接影響范圍內的保護134 8.2.3知識產權135 8.2.4商業機密保護136 8.2.5通過軟件保護實現數據主權137 8.2.6數據所有權138 8.2.7小結138 8.3責任和合法交易139 8.3.1責任139 8.3.2法律行為141 8.4數據保護法141 8.4.1企業的共同決策142 8.4.2企業的基本要求142 8.4.3與第三方合作142 8.5IT安全法143 8.5.1IT安全法的范圍143 8.5.2對工業4.0的影響144 8.5.3BSI的調查權力144 8.6小結144 參考文獻145 第9章生產環境的轉型戰略150 9.1確定行動需求150 9.2生產中的變更管理153 9.2.1生產中變更管理的結構和背景153 9.2.2數字化生產的變更流程154 9.2.3生產變更的分析156 9.2.4小結158 9.3CPPA要求的定義159 9.3.1生產中設計規范創建現狀159 9.3.2CPPA設計規范創建的流程及清單160 9.4構思與實現方法164 9.4.1產品開發及系統開發的現狀164 9.4.2信息物理生產設備(CPPA)的開發 方法171 9.5總結179 參考文獻179 第10章客戶系統地參與創新過程183 10.1數字化時代客戶參與的必要性和機會183 10.2通過開放創新開拓創新過程184 10.3客戶參與創新過程185 10.3.1客戶參與的階段185 10.3.2客戶和外部人員的參與方法185 10.3.3創意、概念和技術187 10.4從大規模定制到客戶創新產品189 10.5敏捷開發過程189 10.6可適應和可定制產品的產品結構193 10.7可適應和可定制產品的成本評估195 參考文獻197 第11章工業4.0與能源效率提升199 11.1生產中的能量流和能源效率199 11.2能源效率背景下的信息物理生產 系統201 11.3能耗透明的機器201 11.4工藝鏈及動態能源流中的能源效率203 11.5工廠層面的能源效率205 11.5.1熱耗散的三維監測205 11.5.2多級模擬205 11.6總結與展望206 參考文獻207 第2篇 機電一體化(信息-物理融合)的自動化組件 第1章基因智能工件212 1.1愿景：基因智能工件212 1.2愿景：基因智能工件的分類213 1.3實施：工件能力214 1.3.1數據采集214 1.3.2工件識別和工件上的數據存儲218 1.3.3通信222 1.4應用223 1.4.1加工制造階段的應用223 1.4.2使用階段的應用227 參考文獻230 第2章智能刀具232 2.1刀具——迄今和未來232 2.2智能刀具的當前用法及實例232 2.2.1刀具的分類232 2.2.2智能刀具的應用案例233 2.2.3連接智能刀具的接口235 2.3刀具監控237 2.4智能刀具的使用周期239 2.4.1動機239 2.4.2智能刀具的功能塊240 2.4.3小結和展望243 參考文獻243 第3章聯網機床245 3.1通過高效的CAD-CAM-NC鏈進行前端 加載246 3.1.1CAD-CAM-NC鏈246 3.1.2當今CAM系統中的自動化機制247 3.1.3進一步的研究和實踐方法249 3.1.4小結251 3.2產品開發過程中的工藝過程與機床特性 仿真251 3.2.1加工準備階段數控程序的優化252 3.2.2來自生產工具開發階段的知識 反饋255 3.2.3小結256 3.3制造企業的大數據分析257 3.3.1CAD-CAM-NC鏈的一體化網絡257 3.3.2工藝數據反饋和語境化259 3.3.3數據評估260 3.3.4小結261 3.4工業4.0對機床狀態監測的推動261 3.4.1自我監控機床的愿景262 3.4.2用于服務壽命預測的機床部件 模型263 3.4.3集成到生產環境265 3.4.4小結265 3.5以用戶為中心的新機床操作方案266 3.5.1傳統的操作理念266 3.5.2新的運營理念267 3.5.3以用戶為中心的操作理念的要求267 3.5.4生產環境中的觸摸屏操作268 3.5.5以用戶為中心的對話框設計268 3.5.6中間件270 3.5.7小結270 3.6結論270 參考文獻270 第4章加工設備和包裝機273 4.1消費品生產4.0273 4.1.1消費品大規模生產的設備273 4.1.2食品和制藥行業的趨勢274 4.1.3可變的加工工藝275 4.2可變工藝鏈中從材料到產品276 4.2.1可變流程276 4.2.2加工設備的變體層279 4.3可變加工設備的要素281 4.3.1質量控制工藝281 4.3.2優質材料和優質產品283 4.3.3可變的作用對284 4.4可變加工設備287 4.4.1可變設備結構287 4.4.2自我監控和自我優化的機床290 4.4.3工藝集成的機電一體化仿真297 4.4.4可變設備的自動化清潔方面300 4.4.5操作員輔助302 參考文獻304 第5章輸送系統309 5.1設備連接309 5.1.1自動化生產中的連接310 5.1.2傳輸系統的柔性化310 5.1.3經典布置結構中柔性連接的潛力311 5.1.4以增量制造為例，傳輸系統柔性的 *大化313 5.2機器人輸送系統314 5.2.1機器人傳輸系統中的傳感器集成314 5.2.2機器人傳輸系統的直觀編程315 5.2.3應用案例：高度柔性的工件傳輸317 5.3輸送系統中的夾持技術318 5.3.1功能集成的夾持系統318 5.3.2具有適應能力的夾持系統321 參考文獻322 第6章物流4.0324 6.1供應鏈4.0的數字化和網絡化325 6.1.1食品供應鏈中智能承載裝置(冷藏箱) 的使用325 6.1.2以刀具供應鏈為例的云中協同生命 周期管理329 6.2數字工具在物流規劃中的應用333 6.2.1虛擬現實在人工分揀系統規劃中的 應用333 6.2.2物流系統的協同規劃和調試336 6.3數字物流過程中與人連接的接口339 6.3.1針對高效人工分揀的信息交換的 新形式340 6.3.2工藝數據表達和收集的叉車駕駛員 輔助系統342 6.4工業4.0生產和配送中自動柔性物料 流的控制理念344 6.4.1通過自動軟件生成來有效地創建 物流系統的控制系統345 6.4.2使用分布式物料流控制來實現可轉換 物料流系統347 6.5引入和使用RFID進行分散數據 管理352 6.5.1引入RFID的創新概念和工具353 6.5.2工藝數據自動獲取和提供359 參考文獻362 第7章裝配4.0364 7.1動機364 7.2產品和設備實例365 7.2.1產品實例365 7.2.2設備實例365 7.3解決方案中的中性能力描述366 7.3.1概念和實例366 7.3.2優點369 7.3.3能力的分類369 7.4 CAD產品分析-產品要求的生成371 7.4.1逐個拆裝——確定裝配順序和裝配 動作371 7.4.2工藝參數的定量確定372 7.4.3確定零件接口372 7.5自動裝配規劃373 7.5.1引言及系統概況373 7.5.2利用已知布局生成設備能力 模型374 7.5.3自動裝配規劃中的要求-能力 平衡375 7.5.4平衡模塊的舉例說明378 7.5.5推薦操作的自動導出379 7.5.6備選規劃方案的評估和選擇379 7.5.7自動生成裝配規程380 7.6自動化集成380 7.6.1生產組件的自動配置(即插 即用)380 7.6.2時間*優的機器人系統路徑 規劃384 7.6.3目標系統的分配和代碼生成387 7.7以供應系統為例的自動硬件設計389 7.7.1基礎389 7.7.2物理仿真389 7.7.3邊界條件389 7.7.4基于仿真的設計390 7.7.5加工和驗證391 7.7.6小結391 7.8總結391 參考文獻391 第8章可變模塊化的自動化系統395 8.1自動化金字塔395 8.1.1借助智能產品的分散式工藝 控制396 8.1.2借助智能現場設備的現場任務和 控制任務的融合399 8.1.3縱向集成和基于云的模塊化IT 系統401 8.2智能聯網402 8.2.1工業4.0的通信標準403 8.2.2自動化技術中的以太網405